Повна версія

Головна arrow Екологія arrow ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ЛЮМІНЕСЦЕНТНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ

Люмінесценція - випромінювання, що представляє собою надлишок над тепловим випромінюванням тіла і триваюче протягом часу, що значно перевищує період світлових коливань. Перша частина визначення відокремлює люмінесценцію від теплового рівноважного випромінювання і показує, що поняття «люмінесценція» може бути застосовано тільки до сукупності атомів і молекул, що знаходяться в стані, близькому до рівноважного. Друга частина визначення була введена С. І. Вавілов (радянський фізик, президент Академії наук СРСР, 1891 - 1951), щоб відокремити люмінесценцію від різних видів розсіювання і відбиття світла, параметричного перетворення світла, гальмівного випромінювання і випромінювання Черенкова - Вавілова (П. А . Черенков - радянський фізик, 1904-1990).

Люмінесценція слабшає при підвищенні температури і характеризується випусканням квантів, що відрізняються по енергії від раніше поглинених.

По виду порушення розрізняють фотолюмінесценцію (збудження світлом), радіолюмінесценції (збудження проникаючою радіацією), до неї, зокрема, відносять рентгено, катодо-, іоно- і а-люмінесценцію, Електролюмінесценція (збудження електричним полем), тріболюмі- несценцію (збудження при механічних впливах), хемілюмінесценцію, яка виникає при хімічних реакціях, і ін.

Причиною всіх люмінесцентних явищ є переклад частинок люмінесцирующего речовини в збуджений стан. Цей переклад здійснюється за рахунок енергії, що доставляється джерелом, що викликає появу люмінесценції. Перехід порушеної центру люмінесценції в нормальне або менш порушену супроводжується випусканням світла. Це і є люмінесцентне свічення речовини.

Зазвичай в збудженому стані частки речовини знаходяться в протягом 10 -8 с. Така тривалість збудженого стану характерна для люмінесценції, званої флуоресценцией. Вона спостерігається при опроміненні світлом деяких рідин і газів.

Іноді збуджений стан центрів люмінесценції зберігається досить довго: від 10 -4 с до кількох хвилин. Таке люмінесцентне свічення називається фосфоресценції.

Фотолюмінісценція , як правило, порушується ультрафіолетовим або близькими до нього ділянками спектрів електромагнітних хвиль. Дж. Стокс (JG Stokes - англійський фізик і математик, 1819-1903) встановив, що речовина випромінює, як правило, світло, що має велику довжину хвилі, ніж світло, який викликає явище фотолюмінесценції.

При кількісному і якісному люмінесцентному аналізі найчастіше реєструють самостійне свічення речовини.

Якісний хімічний люмінесцентний аналіз дозволяє виявляти і ідентифікувати деякі речовини в сумішах.

У сортовому аналізі за характером світіння речовини розрізняють предмети, що здаються однаковими. Його застосовують при діагностиці захворювань, визначенні уражене ™ насіння і рослин хворобами, для виміру вмісту органічних речовин в грунті і т.п. З усіх видів люмінесценції для аналізу частіше використовують фотолюмінесценцію.

При малих концентраціях С спостерігається прямолінійна залежність інтенсивності флуоресценції від концентрації де / ( | ) л - інтенсивність флуоресценції; k - коефіцієнт пропорційності.

Для вимірювання флуоресценції використовують спектрофлуоріметри і Флуоріметри, для вимірювання фосфоресценції - фосфоріметри.

При вимірі люмінесценції джерело збудження, кювету з досліджуваним розчином і детектор розташовують в залежності від способу вимірювання випромінювання: під прямим кутом до падаючого світла (рис. 6.16, а), під невеликим кутом до падаючого світла (фронтальне освітлення, рис. 6.16, б) , без зміни напрямку (рис. 6.16, в).

Способи спостереження люмінесценції

Мал. 6.16. Способи спостереження люмінесценції:

а - спосіб перпендикулярних пучків; б - фронтальний спосіб; в - без зміни напрямку; 1 - джерело; 2 - первинний світлофільтр; 3 - кювету з пробою;

4 - вторинний світлофільтр; 5 - фотоприймач

Зазвичай в конструкціях флуориметра використовують перший спосіб. У цьому випадку на фотоприймач потрапляє менша частка стороннього випромінювання від джерела збудження. У флуориметрі світло потрапляє на первинний світлофільтр, що пропускає випромінювання з довжинами хвиль збудження, і далі на кювету з досліджуваним розчином. Випускається люмінесцентне випромінювання потрапляє на вторинний світлофільтр, що пропускає люмінесцентне випромінювання і затримує збудливу і розсіяне випромінювання.

Люмінесценція - один з найбільш чутливих методів аналізу - застосовується для визначення слідів елементів. На відміну від спектрофотометрії, де вимірюють різницю двох сигналів (7 0 і 1), в люмінесценції вимірюють сам сигнал і межа виявлення залежить від інтенсивності джерела та чутливості детектора. Метод люмінесценції дозволяє визначати 10 -10 -10 -4 мкг-мл -1 речовини.

Схема флуоресцентного газоаналізатора, що реалізує спосіб перпендикулярних пучків (рис. 6.16, а), показана на рис. 6.17.

Структурна схема флуоресцентного газоаналізатора

Мал. 6.17. Структурна схема флуоресцентного газоаналізатора:

  • 1 - джерело світла; 2 - первинна оптична схема; 3 - інтерференційний світловий фільтр; 4 - флуоресцентна камера; 5 - світлофільтр; 6 - фотоприймач;
  • 7 - підсилювач електричного сигналу; 8 - вторинний прилад

Випромінювання від джерела 1 з допомогою оптичної системи 2 фокусується в флуоресцентної камері 4. Інтерференційний фільтр 3 служить для виділення спектральної області збудження флуоресценції. Через камеру 4 прокачують аналізований повітря.

Хемілюмінесценція - люмінесценція, що супроводжує хімічні реакції. Випромінювання випускається продуктами реакції або іншими компонентами, порушуваними в результаті перенесення енергії до них від продуктів реакції. Окремий випадок хемилюминесценции - біолюмінесценція (світіння гниючого дерева, деяких комах і морських тварин). Ефективність біолюмінесценції деяких світляків наближається до 100%. Для збудження хемилюминесценции у видимій області спектра потрібно більше 160 кДж / моль енергії. Яскравість хемилюминесценции пропорційна швидкості реакції і ефективності хемилюминесценции (числу квантів хемилюминесценции на один акт реакції).

Низька інтенсивність власне хемилюминесценции виявилася головною перешкодою на шляху до її широкому використанню в аналітичних цілях. Значного поширення набуло вимір хемілюмінесценції в присутності певних сполук, які у вітчизняній літературі називають активаторами, а за кордоном - підсилювачами хемилюминесценции. По механізму дії активатори поділяють на дві групи - фізичні та хімічні.

У хемілюмінесцентному методі аналізі немає необхідності в застосуванні джерел збудження, тому апаратура методу простіша в порівнянні з тією, яку використовують в люмінесцентному аналізі.

Перевагою хемілюмінесцентного методу аналізу є низькі межі виявлення 10 -10 - 10 -4 г / мл при обсязі кювети 2-5 мл, достатня точність визначення, експресному, простота апаратури. Недоліком є мала селективність реакцій, проте варіювання умов визначення і застосування маскувальних агентів часто дозволяють усунути цей недолік.

За допомогою хемілюмінесценції визначають зміст перекису водню, спиртів, похідних аніліну, деяких отруйних речовин, глюкозу, деякі метали, а також оксиди азоту та сірки в повітрі.

Фосфоресценція - люмінесценція, що триває значний час після припинення збудження (на відміну від флуоресценції).

Фосфоресценція може тривати від декількох мікросекунд до декількох годин і навіть діб.

Яскравість фосфоресценції органічних молекул зазвичай зменшується з часом за експоненціальним законом. Закон загасання яскравості люмінесценції кристаллофосфоров складний, в деяких випадках він наближено описується формулою Беккереля

де В 0 - початкова яскравість; t - час; а й а - постійні.

завдання

6.3.1. При фотометрірованія полум'я для Na отримали наступні дані:

lgC-4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5

gl -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,3 -1,0 -0,7 -0,4 -0,2.

В якій області інтенсивність спектральних ліній / пропорційна концентрації С і в який пропорційна> / с?

Відповідь : до С- 0,001 і після С = 0,01.

6.3.2. При фотометрірованія полум'я при визначенні натрію в розчині отримали наступні дані:

С, мкг / мл х 10 20

дані вторинного приладу 35,5 20,5 39,5

Розрахуйте концентрацію х досліджуваного розчину.

Рішення

6.3.3. Розрахуйте концентрацію елемента в розчині при спектральному аналізі але такими даними:

Рішення л лг .

рр. .р + 0,05

Оскільки концентрація досить мала, то / = до С. В цьому випадку - =

*

* + 0,10

= 1,62, звідки * = 0,081. Або-= 2,22, звідки * = 0,082.

х

6.3.4. При визначенні калію фотометрірованія полум'я методом добавок були отримані наступні дані:

С, мкг / мл * * + 10 * + 20

дані вторинного приладу 17,0 26,0 35,0

Визначте концентрацію калію в досліджуваному розчині.

Відповідь: 17,2 мкг / мл.

  • 6.3.5. Розрахуйте процентний вміст марганцю в сталі за наступними даними порівняння лінії марганцю (X = 293,911 нм) і заліза (294,440 нм):
  • 5 Мп * 0,59 0,74 1,43 *
  • 5 Мп 0,896 1,020 1,349 1,105

S Fe 0,764 0,748 0,763 0,760

Відповідь: це завдання краще вирішити графічно побудовою графіка Д5 Мп =

= $ Мп - ^. = / <180. * = 0,88.

6.3.6. При люмінесцентному визначенні концентрації А1 3+ в дистильованої воді взято 5 мл цієї води, додані сульфосаліцілаль-о-амідофенол і вода до обсягу 10 мл. В аналогічних умовах приготували розчини відомої концентрації алюмінію. При вимірюванні інтенсивності люмінесценції розчинів отримані наступні результати:

С, мкг А1 / 10 мл 0,04 0,05 0,08 *

інтенсивність люмінесценції 11 17 23 19

Визначте концентрацію алюмінію у воді.

При концентрації до 2 мкг / 100 мл в плаву інтенсивність світла холостого досвіду становить 0,0001-0,02 мкг на 1 г фториду натрію, тому в даній задачі її можна не враховувати.

Відповідь: 3,8 мкг / мл.

6.3.7. Обчисліть вміст алюмінію в соляній кислоті (щільність 1,18) за даними його визначення з саліцілаль-о-амінофеноли.

На 5 мл аналізованої кислоти (після випарювання в кислотному буфері) приготували три розчину:

  • а) без додавання А1 3+ ;
  • б) з додаванням 0,03 мкг А1 3+ ;
  • в) з додаванням 0,05 мкг А1 3+ .

До цих розчинів, а також до холостого розчину додали однакову кількість саліцілаль-о-амінофенола. При вимірі люмінесценції отримали наступні результати:

кількість А1 3+ , мкг 0 * * + 0,03 * + 0,05

інтенсивність люмінесценції 2 10 16 20

Відповідь: 2,0-10-6%.

6.3.8. При визначенні в сплаві нікелю фотометричним методом взяли наважку вагою 0,1248 г, після відповідної обробки її розчинили в мірній колбі ємністю 100 мл, потім 10 мл отриманого розчину розчинили в мірній колбі місткістю 200 мл. Оптична щільність відповідала за калібрувальною кривою 0,00003 г нікелю. Розрахуйте процентний вміст нікелю в уже згадуваному сплаві.

Відповідь : 0,26%.

6.3.9. У процесі виділення робенітіна (ЗДД'Д'Д'-пентаоксіфлавона) з рослин отримали п'ять етанольних розчинів невідомої концентрації. Оптичні щільності розчинів на шести довжинах хвиль в кюветі з довжиною 1,00 см наведені в таблиці.

Номер рас твора

X нм

242

252

282

316

328

368

1

0,407

0,439

0,136

0,366

0,305

0,725

2

0,175

0,166

0,087

0,126

0,106

0,250

3

0,519

0,636

0,197

0,533

0,442

1,055

4

0,191

0,206

0,064

0,173

0,144

0,344

5

0,272

0,293

0,091

0,246

0,201

0,485

Чи містять рослини один і той же речовина?

Відповідь : все розчини, крім другого, містять одну речовину.

6.3.10. Коефіцієнт пропускання розчинів брому в тетрахлориді вуглецю при X = 436 нм в кюветі довжиною 2,00 см склав:

С, мг / мл 0,032 0,101 0,190 0,320 0,532 0,829

Т,% 84,0 57,0 34,5 16,5 5,0 1,0

Визначте: а) чи підкоряються розчини основному закону светоноглощенія;

б) величину пропускання розчину брому з концентрацією 1,50 * 10 -3 М, поміщеного в кювету з 1 = 1,00 см; в) значення е при X = 436 нм, молекулярна маса брому (Вг 2 ) 159,81.

Відповідь : а) так; б) Г = 51,2%; в) 8 = 1,93-10 2 .

6.3.11. У таблиці вказані результати вимірювання квантового виходу флуоресценції органолюмінофора зі збільшенням його концентрації у водному розчині.

З-10-4, М

1,00

3,00

5,00

7,00

9,00

11,00

13,00

15,00

Ф

0,901

0,899

0,900

0,571

0,353

0,232

0,141

0,090

Як можна пояснити отримані результати?

Рішення

Зменшення квантового виходу з ростом концентрації органолюмінофора свідчить про розвиток концентраційного гасіння. Перетворимо його до виду lg lgq) o / (p = 0lg е (С - С 0 ). При С <0,05 1 (Н М (р = (р 0 = 0,900. Доповнимо експериментальні дані значеннями lgcpo / ф і побудуємо графік залежності lg (0 /КС). З нього знаходимо порогову концентрацію С 0 = 0,05 * 10 -4 М. За величиною тангенса кута розрахуємо константу концентраційного гасіння 0 = 1,0 3 / ge = 2,30-10 3 М -1 .

З-10- 4 , М

1,00

3,00

5,00

7,00

9,00

11,00

13,00

15,00

? Йфо / ф

0,000

0,000

0,000

0,198

0,406

0,589

0,805

1,000

6.3.12. У таблиці наведено дані, що характеризують залежність інтенсивності флуоресценції розчину сполуки люминола з аміачним комплексом міді і пероксидом водню від концентрації інгібітора - флороглюцину: а) побудуйте графік залежності lg / від lgC і на підставі його розгляду отримаєте аналітичний вираз цієї залежності у вигляді функції lg 1 = / (lgC); б) розрахуйте чутливість флуоріметріческого методу визначення флороглюцину.

З, м

/, Уел. од.

З, м

/, Уел. од.

0

180

1,41-10 -4

38,5

1,30-10-5

143

4,46-10 -4

20,2

2,30-10- 5

90,4

7,08 * 10 4

14,3

7,10-10-5

53,3

-

-

Відповідь: a) lg / = -0,551gC - 0,55; 6) 5 = -0,55 M _1 .

6.3.13. Залежність інтенсивності флуоресценції розчину тріазінілстіль- Бексон від концентрації Cr (III) характеризується такими даними:

З Сг 10 7 , М 0 0,4 1,2 2,3 4,4 '8,3 12 16

/, Усл.ед. 100 95 87 79 68 56 49 44

Побудуйте графік залежності I / P від С Сг і отримаєте аналітичний вираз цієї залежності. Оцініть чутливість визначення хрому (мл / мкг) по гасінню флуоресценції тріазінілстільбексона.

Відповідь: S = 5,03Ю ~ 3 мл / мкг.

6.3.14. Для різних значень оптичної щільності люмінссцірующсго розчину (а 1C від 0,001 до 2,000) розрахуйте величину відносної похибки, обумовленої використанням замість точної формули спрощеної і уявіть результати розрахунку у вигляді таблиці. За даними таблиці побудуйте графік залежності відносної похибки від оптичної щільності люмінесцирующего розчину. При якому значенні оптичної щільності відносна похибка: а) не перевищує 1%; б) не перевищує 5%?

Відповідь: a) dC <0,009; б) г / С <0,043.

6.3.15. Інтенсивність флуоресценції розчинів, що містять комплекс алюмінію з саліцаль-о-амінофеноли, з урахуванням концентраційного гасіння, описується емпіричною формулою

де / - інтенсивність флуоресценції, уел. од .; С - концентрація алюмінію, мкг / мл. Вплив концентраційного гасіння в наведеній формулі враховується співмножником е ~ 0ЛЗС .

Виконайте наступне: а) користуючись емпіричної формулою, побудуйте графік залежності / від С і визначте область його лінійності (де відміну сигналу від розрахункової величини нс перевищує 5%); б) оцініть чутливість визначення алюмінію з саліцаль-о-амінофснолом (мл / мкг); в) приймаючи, що в наведеній вище формулі член <г ° ' 13С = 1, побудуйте графік залежності I від С, нехтуючи концентраційним гасінням; г) порівнюючи обидва графіка, визначте діапазон концентрацій, в якому концентраційним гасінням можна знехтувати (де різниця сигналів, розрахованих з урахуванням і без урахування гасіння, не перевищує 5%).

Відповідь : а) 0,1 мкг / мл; б) 5 = 65,6 мл / мкг, 5 С -> 0 = 68,0 мл / мкг; г) З <0,38 мкг / мл.

6.3.16. У таблиці наведено результати зміни квантового виходу родаміну Б зі зміною його концентрації в метанолі.

З-Ю-з, М

Ф

З-Ю-з, М

Ф

1,00

0,971

9,00

0,498

1,50

0,966

10,0

0,453

2,00

0,970

11,0

0,400

2,50

0,974

12,0

0,352

З-10-3, М

Ф

З-10-з, М

Ф

3,00

0,969

14,0

0,279

5,00

0,807

16,0

0,219

6,00

0,728

18,0

0,178

7,00

0,641

20,0

0,140

8,00

0,558

-

-

Які характеристики можна отримати з цих даних?

Відповідь : З 0 = 3,4-10 -3 М, 0 = 1,17-10 2 л / моль.

6.3.17. У таблиці наведено результати вимірювання інтенсивності флуоресценції родаміну Б в присутності комплексу цинку Zn (SCN) 4 2- .

З рід = 1,60-Ю-з М, C KSCN = 0,17 М, pH = 4,50

З / п , мкг / мл

/, Уел. од.

С- / п , мкг / мл

/, Уел. од.

0

100

1,0

32,0

0,1

82,5

1,2

28,0

0,2

71,0

1,4

25,0

0,4

54,0

1,6

22,5

0,6

44,5

1,8

20,5

0,8

37,0

2,0

19,0

Як можна інтерпретувати отримані результати? Чи можна їх використовувати для аналітичних цілей?

Відповідь : можна розрахувати константу гасіння К = 2,15-10 3 мл / мкг; можна використовувати для визначення концентрації цинку.

6.3.18. У таблиці наведено результати вимірів фосфоресценції розчинів, що містять речовину А: розчину аналізованої проби і двох стандартних розчинів.

t, мс

I, уел. од.

З] = 7 мкг / мл

З 2 = 10 мкг / мл

25

72,7

109,0

81,8

50

44,1

66,1

49,6

75

26,7

40,1

30,1

100

16,2

24,3

18,2

125

9,8

14,7

11,1

Користуючись результатами вимірювань, розрахуйте: а) максимальну інтенсивність фосфоресценції розчинів /; б) постійну часу загасання фосфоресценції т, вважаючи, що інтенсивність фосфоресценції речовини А убуває в часі за експоненціальним законом; в) концентрацію речовини А в аналізованому зразку.

Відповідь: а) 1 тах = 120,0, 179,9 і 134,9; б) т = 50 мс; в) З л = 7,8 мкг / мл.

6.3.19. Для флуорімстріческого визначення органічної сполуки родаміну 6Ж в уже згадуваному розчині об'ємом 25 мл з невідомої концентрацією приготували п'ять еталонних розчинів:

С, мкг / мл 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20

/ 16 32 48 64 80.

У тих же умовах виміряли інтенсивність аналізованого розчину, яка виявилася дорівнює 1 = 40.

За отриманими даними побудуйте градуювальний графік, визначте зміст родаміну 6Ж (мкг / мл) і його масу в мкг.

Відповідь : 0,10 мкг / мл, 2,5 мкг.

Контрольні питання і завдання

  • 1. Що таке люмінесценція?
  • 2. Люмінесцентний аналіз є якісним або кількісним методом?
  • 3. Що таке квантовий вихід в люмінесценції?
  • 4. Назвіть основні види збудження люмінесценції.
  • 5. Яка функціональна залежність лежить в основі люмінесцентного аналізу?
  • 6. Поясніть, чому градуйований графік при флуоресцентного аналізі лине тільки в обмеженій області концентрацій?
  • 7. Чому люмінесцентний метод аналізу є більш чутливим, ніж спектрофотометрический в УФ і у видимій області?
  • 8. Як домогтися підвищення чутливості флуоріметріческого аналізу?
  • 9. Що розуміють під терміном «гасіння люмінесценції»? Які види гасіння існують?
  • 10. Що таке фосфоресценція?
 
<<   ЗМІСТ   >>